魁蚶對3種重金屬生物富集動力學研究

李 曉，王 穎，吳志宏，劉天紅，孫元芹

( 山東省海洋生物研究院，山東 青島 266100 )

魁蚶對3種重金屬生物富集動力學研究

李 曉，王 穎，吳志宏，劉天紅，孫元芹

( 山東省海洋生物研究院，山東 青島 266100 )

以魁蚶為研究對象，應用半靜態雙箱動力學模型，模擬魁蚶對3種重金屬As、Cd、Pb的生物富集試驗，對魁蚶體內重金屬含量進行檢測，并進行非線性擬合，試驗結果表明，魁蚶在GB 3097-1997二類水質標準下富集重金屬的動力學常數分別為無機砷38.97，鉛1039.88，鎘1566.80；富集能力依次為鎘>鉛>無機砷；生物學半衰期分別為無機砷20.5 d，鉛15.4 d，鎘21.3 d。結合NY 5135-2005 《無公害食品 蚶》的安全限量，通過生物富集系數換算得到魁蚶養殖水體中3種重金屬安全限量分別為無機砷0.02900 mg/L、鉛0.00096 mg/L、鎘0.00064 mg/L，可為制定的養殖魁蚶水質標準中安全限量提供科學依據。

魁蚶；重金屬；安全限量

魁蚶(Scapharcabroughtonii)俗稱赤貝，為冷水性貝類，我國山東及遼寧沿海均有分布，以黃海北部較多[1]。魁蚶成體個大體肥，營養豐富，是頗受歡迎的經濟價值較高的貝類。其斧足加工后稱為蝴蝶貝，是出口創匯率較高的海珍品之一。

雙殼貝類屬濾食性生物，對一些重金屬離子有高度富集作用[2-3]。多數重金屬毒性較大，微量即可對生物產生毒性效應，有些重金屬還可在微生物作用下轉化為毒性更強的金屬化合物[4]。由于雙殼貝類用于代謝的混合氧化系統存在缺陷，導致其對污染物的釋放比魚類和甲殼類慢，對重金屬富集程度較高[5-7]。海灣扇貝(Argopectenirradians)[8]、長牡蠣(Crassostreagigas)[9]、紫貽貝(Mytilusedulis)[10]等對重金屬的富集試驗已有諸多報道，但關于魁蚶對重金屬富集的研究尚不多見。

現行海水水質標準的重金屬限量是以水生生物重金屬毒性試驗數據結合相應安全系數制定的，而生物體(蚶)殘留量標準的重金屬含量是以重金屬對小白鼠等生物毒性兼顧對人體毒性吸收換算制定的[11]。魁蚶在符合標準的水質中養殖，體內的重金屬含量可能并不符合相應食用標準限量，標準之間未能有效銜接。本文采用半靜態雙箱動力學模型，量化3種重金屬在魁蚶體內的生物富集系數，結合食品安全限量標準，推算養殖水體中的As、Cd、Pb 安全限量建議值，為魁蚶增養殖工作提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料

用去離子水配置As、Cd、Pb儲備液，質量濃度分別為810、135、135 mg/L，與海水混合至所需質量濃度。

試驗海水經自然海水逐級沉淀后經砂濾池處理制得，pH 7.96～8.20，鹽度31.18±0.34，氨氮2.97～4.54 mg/L，亞硝酸鹽0.005～0.010 mg/L，溶解氧>6.0 mg/L；重金屬本底值：砷0.905 μg/L，鎘0.127 μg/L，鉛0.975 μg/L，均符合GB 3097—1997國家一類海水標準[12]。

魁蚶采自榮成海域，2齡，殼長(50.47±1.93)mm，殼寬(29.28±1.39) mm，殼高(37.72±2.17) mm，質量(26.01±1.61) g。

1.2 試驗方法

1.2.1 魁蚶的暫養

清除魁蚶表面附著物，水泥池中暫養2周，保持水溫(12.0±0.7) ℃，pH 8.14±0.03，充氣，自然光照(2000～3000 lx)。每日8：00投喂小球藻(Chlorellavulgaris)，及時清除死亡個體。

1.2.2 生物富集試驗

300 L水族箱11個，水體均為270 L，挑選規格一致、活力強的魁蚶，每箱放入150只。設空白對照2組，處理組按每種重金屬各設3組平行，質量濃度設置參照GB 3097—1997中二類海水限量標準，即：砷質量濃度0.030 mg/L，鉛質量濃度0.005 mg/L，鎘質量濃度0.005 mg/L，配制時扣除海水本底。采取半靜態法，每24 h更換海水。試驗分富集和代謝2個階段。富集階段持續35 d，之后將各處理組魁蚶移入自然海水繼續養殖35 d。

試驗期間保持自然光照(2000～3000 lx)，水溫(19.25±0.86) ℃。每日8：00和17：00投喂小球藻(其中重金屬含量均小于自然海水中相應本底值，在生物富集中的作用忽略不計)。

1.2.3 試驗取樣及預處理

第0、5、10、15、20、25、30、35、40、50、55、65、70 d分別取樣，每箱每次取樣5只，-20 ℃保存。

分析前，將魁蚶解至半凍，軟體部打漿，均分為3份，樣品密封待測。

1.3 分析方法

水體中重金屬按照GB 17378.4—2007 《海洋監測規范 第4部分：海水分析》[13]中相應方法進行測定；生物樣品重金屬含量分別按照GB/T 5009.11—2003《食品中總砷及無機砷的測定》[14]、GB/T 5009.12—2003《食品中鉛的測定》[15]、GB/T 5009.15—2003 《食品中鎘的測定》[16]中相應方法進行測定。

1.4 生物富集雙箱動力學模型[17-20]

試驗的2個階段用方程描述為：

富集階段(0

代謝階段(t>t*)：

式中，t*為富集階段結束的天數(35 d)；C0為試驗開始前魁蚶體內金屬含量(mg/kg干質量)；CW為水體中金屬含量(mg/L)；CA為魁蚶體內金屬含量(mg/kg干質量)；k1為生物吸收速率常數；k2為生物排出速率常數。

2 結 果

2.1 魁蚶對無機砷、鉛、鎘的生物富集曲線

根據樣本檢測結果，分別富集和代謝階段的相應公式進行擬合，得到魁蚶體內重金屬含量與時間的擬合曲線。

圖1 魁蚶對無機砷的生物富集曲線

2.2 魁蚶對無機砷、鉛、鎘的生物富集動力學參數

表1 魁蚶對砷、鎘、鉛的富集動力學參數

圖2 魁蚶對鉛的生物富集曲線

圖3 魁蚶對鎘的生物富集曲線

由表1可知，3種重金屬在魁蚶體內的生物富集系數分別為無機砷38.97，鉛1039.88，鎘1568.80；生物學半衰期分別為砷20.5 d，鉛15.4 d，鎘21.3 d。魁蚶對3種重金屬的富集能力為鎘>鉛>無機砷，代謝能力為鉛>無機砷>鎘。

2.3 養殖水體中砷、鉛、鎘安全限量

魁蚶在二類水質標準下養殖35 d，軟體中無機砷、鉛、鎘的最高含量分別達到1.9671、2.5946 、7.2222 mg/kg。經富集處理的魁蚶即便在重金屬質量濃度很低的海水中代謝35 d，軟體中無機砷、鉛、鎘的殘留量分別為0.4058、1.3515、3.1341 mg/kg(表2)。

表2 NY 5135—2005與本研究得到的魁蚶體內無機砷、鉛、鎘的含量比較 mg/kg

根據NY 5135—2005 《無公害食品 蚶》[21]的安全限量(無機砷≤1.0 mg/kg，鉛≤1.0 mg/kg，鎘≤1.0 mg/kg)，結合生物富集系數換算得魁蚶養殖水體中3種重金屬安全限量分別為0.02900、0.00096、0.00064 mg/L(表3)。

表3 GB 3097—1997與本研究得到的魁蚶養殖水體中砷、鉛、鎘的安全限量比較 mg/L

3 討 論

3.1 魁蚶對3種重金屬的富集與代謝能力

不同種類的海洋貝類對重金屬富集的能力存在差異[22]。菲律賓蛤仔(Ruditapesphilippinarum)對砷的富集量低，且富集和排出均無明顯規律[23]；菲律賓蛤仔對重金屬的富集能力依次為鉛>銅>鎘>鋅[4]；長牡蠣對重金屬的富集能力為汞>鉛>鎘>砷[9]；紫貽貝對砷的富集系數為15.41(質量濃度100 μg/L)，相同質量濃度下對鎘的富集系數可達到851.3，而對其他重金屬的富集能力也很強，富集能力為汞>鎘>鉛>砷[10]。本研究表明，魁蚶對無機砷富集能力較低，富集系數為38.97(質量濃度為30 μg/L)，富集能力依次為鎘>鉛>無機砷。

泥蚶(Tegillarcagranosa)[24]在二類水質標準下，對鉛、鎘的富集系數分別為1712.6(鉛質量濃度為5.1 μg/L)、1873.7(鎘質量濃度為6.32 μg/L)；2種重金屬在泥蚶體內的半衰期分別為106.6 d(鉛質量濃度為5.1 μg/L)，91.2 d(鎘質量濃度為6.32 μg/L)。魁蚶對鉛、鎘的富集能力與泥蚶相似，但代謝能力均要較泥蚶強。兩者對同種重金屬富集能力相同，而代謝能力不同，這表明對同種重金屬的積累差異與貝類種屬有關[25]。這可能是與不同種屬貝類體內金屬硫蛋白的含量有關[26]。研究結果表明，重金屬能誘導金屬硫蛋白合成，同時金屬硫蛋白又可以調節重金屬在貝類體內的平衡[27-28]。隨著貝類體內的鉛、鎘等重金屬含量的升高，重金屬會使得巰基組氨酸三甲基內鹽在貝類體內達到飽和，過高含量的重金屬離子會促進新的巰基組氨酸三甲基內鹽的mRNA的轉譯。由于重金屬結合到巰基組氨酸三甲基內鹽上大部分沒有毒性，因而重金屬可以在貝類體內有較高含量的累積[29-30]。

3.2 魁蚶養殖水體中砷、鉛、鎘安全限量討論

GB 3097—1997海水水質標準中對二類水質的描述為適用于水產養殖區，即在二類水質下養殖的魁蚶應該符合食用標準。本研究在二類水質標準下養殖魁蚶35 d，軟體中無機砷、鉛、鎘的最高含量均超過了NY 5135—2005 《無公害食品 蚶》的相應限量(表3)，即便在重金屬含量很低的海水中代謝35 d，軟體中無機砷、鉛、鎘的殘留量仍較相應限量高。在符合養殖的水質標準下的魁蚶體內重金屬殘留并不符合相應生物體殘留限量標準；結合NY 5135—2005 《無公害食品 蚶》的安全限量，通過生物富集系數換算出魁蚶養殖水體中3種重金屬安全限量分別為0.02900 mg/L，0.00096 mg/L，0.00064 mg/L。而GB 3097—1997海水二類限量分別為本研究得到限量的1.01倍，5.56倍，7.84倍。2個標準之間缺少有效銜接。

目前，我國對海水養殖水體環境的重金屬進行了限量，但具體到特定養殖品種并無相應規定。由于生物多樣性，重金屬代謝復雜性等諸多因素，有關養殖水體中重金屬安全限量的標準尚未統一。因此，開展魁蚶對重金屬富集能力的研究，針對水環境中重金屬限量標準和生物體殘留限量標準的一致性做出判斷，為相應標準的進一步修訂和完善有積極的意義，進而能服務于魁蚶養殖產業及銷售出口產業的發展[31]。

4 結 論

魁蚶在GB 3097—1997二類水質標準下養殖35 d內，體內無機砷、鉛、鎘的平均富集速度分別為0.051、0.060、 0.181 mg/(kg·d)；代謝35 d內，魁蚶對無機砷、鉛、鎘的代謝速度分別為0.0446、0.0355、0.1168 mg/(kg·d)。應用半靜態雙箱動力學模型，得到魁蚶對無機砷、鉛、鎘的生物富集系數分別為無機砷38.97，鉛1039.88，鎘1568.80；富集能力依次為鎘>鉛>無機砷；生物半衰期分別為無機砷20.5 d，鉛15.4 d，鎘21.3 d。

結合NY 5135—2005 《無公害食品 蚶》的安全限量，通過生物富集系數換算得到魁蚶養殖水體中3種重金屬安全限量分別為無機砷0.02900 mg/L，鉛0.00096 mg/L，鎘0.00064 mg/L，可為制定的養殖魁蚶水質標準中安全限量提供科學依據。

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SafetyLevelsofThreeHeavyMetalsinClamScapharcabroughtoniiCulturingWater

LI Xiao，WANG Ying，WU Zhihong，LIU Tianhong，SUN Yuanqin

( Marine Biology Institute of Shandong Province，Qingdao 266100，China )

The bio-concentration and elimination of As, Cd and Pb in the tissue of clamScapharcabroughtoniiwere investigated in double-boxes kinetic model in order to provide reference for aquaculture practices safety levels. A semi-static system was maintained throughout a 35-day exposure period in different concentrations of heavy metals. The aquaculture water concentrations of heavy metals were set according to the national second-class seawater standard (GB 3097—1997), removing the background values in natural seawater. Then, the test organism was transferred to clean seawater for a elimination period of 35 days. The results showed that the bio-concentration factor (BCF) was 38.97 for inorganic arsenic, 1029.88 for Pb and 568.80 for Cd. The accumulation ability order was expressed as Cd>Pb>inorganic arsenic. And the biological half-life (B1/2) was 20.5 d for inorganic arsenic, 15.4 d for Pb and 21.3 d for cd. In this study, under the national second-class seawater standard (GB 3097—1997)，the maximal content of heavy metals in the tissue of the clam was inorganic arsenic 1.9671 mg/kg, Pb 2.5946 mg/kg and Cd 7.2222 mg/kg. Combined with the safe limit of NY 5135—2005, three kinds of heavy metal safety limited converted from BCF: 0.02900 mg/L in inorganic arsenic, 0.00096 mg/L in Pb, 0.00064 mg/L in Cd. The findings can provide scientific basis for the safety limits of the culture water quality.

Scapharcabroughtonii；heavy metal；safety level

10.16378/j.cnki.1003-1111.2016.05.021

S968.314

A

1003-1111(2016)05-0578-05

2015-03-25；

2016-02-16.

海洋公益性行業專項經費資助項目(201505030-7).

李曉(1985—)，女，助理研究員；研究方向：水產品加工與安全.E-mail：lixiaohappy9@163.com.通訊作者：王穎(1971—)，女，研究員；研究方向：水產品加工與質量控制. E-mail: food_rc@sina.com.